Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Áramlástan Tanszék www.ara.bme.hu
Az áramlástan alapjai Bevezető előadás (2011-2012-II) Dr. Suda Jenő Miklós egyetemi adjunktus
[email protected]
A tantárgyhoz tartozó anyagok a weboldalunkon: www.ara.bme.hu / oktatas / tantargy / NEPTUN / BMEGEATAKM1 / 2011-2012-II
Áramlástan Tanszék H-1111 Budapest, Bertalan Lajos u. 4-6. BME „Ae” épület
Tanszéki bemutatkozás
www.ara.bme.hu
1934. József Nádor Műegyetem: Aerodinamikai Intézet („Ae” ép.) 1938-1941 szélcsatornák építése (német mintára) Tanszékvezetés: 1945-1972 Dr. Gruber József, 1972-1991 Dr. Szentmártony Tibor 1991-2008 Dr. Lajos Tamás, 2008-től jelenleg Dr. Vad János 2 egyetemi tanár, 2 docens, 1 adjunktus, 3 tanársegéd, 1 tud. munkatárs, 2 tud. segédmunkatárs, 2 tanszéki mérnök, 5 Ph.D. hallgató (3-VBK, 1-TTK, 1-GPK) Oktatás: 8 BSc / 8 MSc szak, PhD, kifutó, levelező és szakképzés Áramlástan /BSc,MSc/ (17), Áramlástan /egyéb/ (20), évenként ~1600 hallgató, 22 féle tantárgyban hallgatói mérések, Korszerű méréstechnika (szélcsatorna labor, Lézer Doppler Anemométer, hődrót-szondák, nyomás és sebesség mérése, számítógépes mérés-jelfeldolgozás) Numerikus áramlástani szimuláció = CFD Computational Fluid Dynamics szoftverek: ANSYS-FLUENT, AmeSim (www.cfd.hu) Nemzetközi kapcsolatok: B, D, A, UK, USA, I, F, Von Kármán Institute for Fluid Dynamics (B), egyetemekkel: Cranfield Uni (GB) La Sapienza Roma (I), Karlsruhe (D), Drezda (D), Magdeburg(D), Graz(A), Siegen(D), stb. kutatás & fejlesztési nyertes pályázatok…. Ipari kapcsolatok: Richter, MOL, GE, AUDI, FORD, SUZUKI, Cascade Eng., Dunaferr, Knorr-Bremse, Transelektro, IFT Hungaria, Bouygues Hungária, Visteon, Siemens, EGI, ERBE, ARCADOM stb.
Kármán Tódor
Gruber József
ÁRAMLÁSTAN Kísérleti vizsgálatok
(elmélet)
Numerikus szimuláció
1934 Aerodinamikai Intézet („Ae” épület) 1938-1941 szélcsatornák építése Vízszintes légáramú, recirkulációs, nyitott mérőterű Göttingen típusú szélcsatorna
Göttingen típusú , recirkulácós, nyitott mérőterű vízszintes áramú szélcsatorna
Göttingen típusú , recirkulácós, nyitott mérőterű vízszintes áram szélcsatorna
KUTATÓK ÉJSZAKÁJA rendezvénysorozat 2008: motoros
2009: műlesikló, síugró
KUTATÓK ÉJSZAKÁJA 2010.09.24. péntek 18-24h Magyar Bobcsapat: bob és szánkó szélcsatorna bemutató
KUTATÓK ÉJSZAKÁJA 2010.09.24. péntek 18-24h Magyar Bobcsapat: bob és szánkó szélcsatorna bemutató Gyulai Márton konferál
Concorde modell az NPL szélcsatornában
Vizualizáció különböző testhelyzetekben
Szabadsugár vizualizáció lézersíkkal
KUTATÓK ÉJSZAKÁJA 2011.09.23. péntek 18-24h Főműsorszám: versenykerékpáros (dr. Harsányi Zsuzsanna triatlon, Ironman, Big Man világbajnok 2010, 2011) szélcsatorna bemutatója
U T U O Y
! E B
Szélcsatornák máshol…. = google („wind tunnel”)
1938-1941 szélcsatornák építése……
Függőleges légáramú, recirkulációs, nyitott mérőterű Göttingen típusú szélcsatorna
NYITOTT MÉRŐTÉR
anno…1938-44
anno…1931-44 ZÁRT MÉRŐTÉR
anno…1938-44
anno…1938-44
anno…1938-44
anno…1938-44
anno…1941-44
WM 23 „EZÜST NYÍL” 1941-1944
WM 23 „EZÜST NYÍL” 1941-1944
Német hadiipari megrendelések… ….a Luftwaffe személyes felügyeletével 2. világháborús rakétafejlesztések (V1-V2) (fotók nincsenek)
A háború végén viszont bombatalálatot is kapott a szélcsatorna külső épületszárnya
anno…<1945
A háború után szovjet hadiipari megrendelések …
anno…1945 után
... lettek volna, de a tanszékvezető letagadta, hogy értenének bármiféle ilyen bonyolult áramlástani kérdéshez….(mai tankönyv 12. fejezete) Így átálltak ventilátor fejlesztésre (bányaipar, erőművi ventilátorok, nehézipar, stb.) Minden hallgatói mérés során valamilyen ventilátorral áramoltatunk levegőt. DE HALLGATÓ NEM LÉPHET BE A LABORBA, HA NEM VETTE TUDOMÁSUL A MUNKA- ÉS TŰZVÉDELMI ÚTMUTATÓBAN ELHANGZOTTAKAT!* *Különben a Tanszék nem vállalhat felelősséget egy esetleges balesetért!
Járműáramlástan (aerodinamikai vizsgálatok, 1960-as évek) Dr. Preszler László
Járműáramlástan (aerodinamikai vizsgálatok, 1980-as évek)
Járműáramlástan (megrendelő: PORSCHE A.G., 1990-es évek) Akkor még egyedülálló volt a járműhöz képest mozgó úttestet szimuláló futószalag-rendszerünk. (ld. relatív koordinátarendszer!) NINCS SAJÁT KÉP,mert ezek „TITKOS” projektek ☺
Járműáramlástan (Tasi János formatervező, 1990-es évek)
Járműáramlástan modellépítés, szélcsatorna tesztek
Járműáramlástan szélcsatorna tesztek – nyomáseloszlás mérés
Járműáramlástan szélcsatorna tesztek – formatervezés…..
Vízszintes, nyitott mérőterű szélcsatorna
Forgóasztal modell terepasztalhoz (szélirány beállítása)
Raiffeisen tornyok szélterhelésének mérése
Papp László SportAréna szélterhelésének mérése
Papp László Sportaréna szélterhelésének szélcsatorna vizsgálata
TOP
42 43
37 38
47 48
52 53
Budapest Arena - WIND DIRECTIONS 10429 93
Z c
95
58 57
91
92
63 62 b
Y 200
94
300
32 33
400
Front: OPEN
Measurement Points
d 150
LEFT
060
87
88
89
68 67
e Y
0 -30
-20
0 -10
de mo
0 10
m] 0 [m ,x idth lw
13 12 0 -10
Y 20 0
0 -20
0 30
-30
0
Z
X
0 del mo
300 -200
100 ] [mm ,y gth le n
81
9 8
330 -300
400
300
86
72 a 71
200
g
000
84 RIGHT 85
-100
99 98
82
83
5 4
80 103 79 102
0
270
h
100
210
-200
0
1617 X f
-100
origin
FRONT
76 75
240 -300
030
180
REAR
20 21 TOP
X 100
90
120
0
090
model length, y [mm]
Z
24 25
200
300
model width, x [mm]
Position of the ORIGIN of the coordinate system is in the centerline, at the distance of 302 mm from the model FRONT edge. a, b, c, d, e, f: Internal Measurement Points ORIGIN (x, y, z) = (0, 0, 0)
g, h: Internal Measurement Points / FRONT OPEN /
MÉRÉS
SZÁMÍTÁS
Measurement Points
Numerikus szimuláció /CFD/ Papp László Sportaréna - belső klíma
Numerikus szimuláció /CFD/ Papp László Sportaréna – színpadtűz havária
Ganz Ipartelep - Millenáris Park Moszkva tér, Széna tér, MAMMUT I-II, „előtte”
„utána”
Millenniumi Városközpont
Szabadtéri sátorszerkezetek szélterhelésének szélcsatorna vizsgálata Jégstadion (Németország)
Üzletközpont
Bild 6. Druckbeiwerte an äusserer Oberfläche ( Cpa [-] ) Windrichtung 0° 1:300
0°
SPANDOME Center (USA) szabadtéri színpad sátorszerkezetére ható szélerő
Steetley Building (UK) üzemcsarnokra ható szélterhelés (2008)
Numerikus szimuláció: autóbusz hátfalsárosodás, nyomáseloszlás
Nyom áseloszlás a hátfal szim m etriasíkjában
Nyom aseloszlas a buszhom lokfal a szim m etriasíkjában 2
0.2
1
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
buszhatfal1
-0.6
Mért értékek
-0.15 Cp
-0.4
-1
-3
-1
-4 ív koordináták
0.05
0.25
-2
-0.8
-1.2
Buszhomlokfal1
0
-0.2
Cp
Mért értékek
-5 Ívkoordináták
0.45
0.65
IKARUS buszok hátfal sárosodás-vizsgálata
1980-as évek….. …és 2005
Áramlás a forgó kerék házában, jármű és talaj között (CFD és szélcsatrona vizsgálatok: szabványos „Ahmed” testen)
Addition of wheelhouses and rotating wheels to a car body
Increase in drag and lift coefficient
Áramlás a forgó kerék házában, jármű és talaj között (CFD és szélcsatrona vizsgálatok: szabványos „Ahmed” testen) REFERENCE CASE
WHEEL SPOILERS
REDUCED‐SIZED WHEEL SPOILERS
TRAPEZOID VORTEX GENERATOR
BAFFLES
RIM OPENING/CLOSING
Áramlás a forgó kerék házában, jármű és talaj között (CFD és szélcsatrona vizsgálatok: szabványos „Ahmed” testen) REFERENCE CASE
WHEEL SPOILERS
REDUCED‐SIZED WHEEL SPOILERS
TRAPEZOID VORTEX GENERATOR
BAFFLES
RIM OPENING/CLOSING
Ellenállástényező (+/-) változások: REFERENCE CASE
WHEEL SPOILERS
REDUCED‐SIZED WHEEL SPOILERS
TRAPEZOID VORTEX GENERATOR
BAFFLES
RIM OPENING/CLOSING
Numerikus szimuláció: áramlás egyedülálló forgó kerék körül
álló kerék
forgó kerék
Járműáramlástan …nem csak szélcsatorna létezik!
ha már járműáramlástan….
aerodinamika / design / marketing Aerodinamikai tervező mérnököt megkéri a főnök 86-ban: -Tervezz egy minél kisebb áramlási ellenállástényezőjű de még utcai versenyautó karosszériát! A mérnök és a designer összeül, és áramlástani megfontolások, márka- és stílusjegyek figyelembevételével megtervezik az autó minden paraméterét. Kész a BMW E30 M3.
aerodinamika / design / marketing Akkor jön a marketinges és megkéri a fotóst, hogy szélcsatorna mérés ide vagy oda, de a prospektusba azért ennél még áramvonalasabbnak tűnő képet szeretne!
A prospektusba ez kerül…..
Vízszint!
Na a jobb felső kép ugye kis „csalás”, mert a fotóst arra kérték, hogy tegye ő is áramvonalasabbá az autót „ültetés” nélkül! (lásd alsó kép)
aerodinamika / design / marketing Vagy jobb esetben a marketinges egy megfelelő áramlástani képzettségű művészt kér meg…….☺
aerodinamika + design + Newton-féle viszkozitási törvény (τ) … áramlás láthatóvá tétele: a test felületére ecsettel felvitt titánoxid por pertóleumos oldata … áramlás láthatóvá tétele: otthon = koszos autóval sztráda után esőben…) Valójában a felületi nyírófeszültség eloszlás bemutatására szolgál. (ld. jobb oldali képek)
e - Le BMW e91 M3 coup
Mans
aerodinamika / design / marketing ….vagy rosszabb esetben egy másikat, akit valószínűleg annyira azért nem érdekelt az áramlástani vonatkozás…….☺
és nagyon sok ideje volt……
aerodinamika / design / marketing ….viszont talán van olyan Önök közül, akit érdekelnek majd a részletek is ….
v 2 1 ∂p = R ρ ∂n
„vízszint!”
a részletek…… v 2 1 ∂p = R ρ ∂n
FORD C.307 személyautó vezetőoldali légbefúvóinak vizsgálata az áramlás láthatóvá tételével Fénysíkos láthatóvátétel
Lézersíkos láthatóvátétel
FORD C.307 személyautó vezetőoldali légbefúvóinak vizsgálata az áramlás láthatóvá tételével
Lézersíkos láthatóvátétel
FORD C.307 személyautó vezetőoldali légbefúvóinak vizsgálata áramlás láthatóvátételével
Lézersíkos láthatóvátétel
Forgógépek kutatás & fejlesztése (axiális ventilátorok) 0.1 uc
1.00
lézer LDA optika
0.95
ablakok fotomultiplier
fojtólap szögjeladó ventilátor x - y mozgatószerkezet x
Lézer Doppler mérés
0.85 0.80
cseppgenerátor beszívó tölcsér légbeszívás
W
CF
P
P
S
0.75
R
ST H PV
O
0.70 5
10
15
20
θ [deg]
25
0.1 u c
30
35
40
T
C
A
0.95
Numerikus szimuláció CFD számítás
V
0.90
1.00
y
T
C U
A
U
0.90 0.85 0.80
P
0.75
O 5
10
15
W
P
PV ST
H
0.70 R
S
CF
20
θ [deg]
25
30
35
40
Belsőégésű motor kipufogó-rendszerének numerikus vizsgálata: katalizátor áramlástani optimalizációja
Numerikus szimuláció (CFD) egy radiális szivattyúban: nyomáseloszlás
Gépjármű üzemanyag-szivattyújának numerikus szimulációja
Gőzturbina-lapát körüli áramlás numerikus számítása (SIEMENS)
rögzített koordináta rendszer
forgó koordináta rendszer
Szélforgók mérése szélcsatornában pontonhíd a Dunán (SuperGroup akció 2003.03.15.)
Magyar Állami Operaház szellőzéstechnikai vizsgálata /áramvonalak és hőmérséklet-eloszlás a nézőtéren/
Áramlástan Tanszék
Az áramlástan alapjai c. tantárgy BME / VBK / Környezetmérnök BSc alapszak (BMEGEÁTAKM1) áramlástan = „folyadékok mechanikája” (Fluid Mechanics / Dynamics, Fluidmechanik) közeg = folyadék (folyékony v. gáz halmazállapotú közegek, legtöbbször víz v. levegő) valós és ideális közegek tulajdonságai álló és mozgó folyadékok leírása 1, 2, 3 dimenzió kezelése koordináta rendszer megválasztása: (x,y,z) ill. (r,ϕ); abszolút vagy relatív rendszerből való megfigyelés t [s] időben változó (instacioner) folyamatok műveletek fizikai mennyiségekkel, egyenletek kezelése: általános (matematikai) alapok skalár (p, T, ρ) és vektor (v, g) mennyiségek megváltozása pl. (∆p, ∆T, ∆ρ, ∆v, ) folyadékmozgást leíró mozgásegyenletek (Euler-, Bernoulli-, Navier-Stokes-egyenlet) cél: jellemzők meghatározása 2D-3D, térben és időben állandó (stac.) ill. változó (instac.) jellemzők nyomás p (x,y,z,t), nyomáskülönbség ∆p
(pl. jármű homlokfal, toronyház homlokzatok)
sebességmegoszlás v (x,y,z, t), gyorsulás, impulzus (pl. alagútszellőzés, hófogórács) közegről a testre ható erő (szélturbina, szárny), testről a közegre ható erő (ventilátor) mérnöki mennyiségek: qv [m3/s] térfogatáram, qm [kg/s] tömegáram, Fe ellenálláserő, Ff felhajtóerő [N], M nyomaték [Nm], P teljesítmény [W] stb.
Lajos Tamás: AZ ÁRAMLÁSTAN ALAPJAI ISBN 978 963 066 382 3 legújabb, javított, bővített kiadás (2008) ingyenes DVD melléklettel
Korábbi kiadások is megfelelőek!
Egyetemi Könyvesbolt (E épület földszint) 4500.- Ft Universitatis könyvesbolt (Irinyi József utca 23.) 4500Ft / 4275Ft (Cégeknek ÁFA-s számlára a könyv ára 9000 Ft + ÁFA). Forgalmazza még az ELTE Eötvös Kiadó hálózata is. (5060Ft / 4503Ft)
Lajos Tamás: AZ ÁRAMLÁSTAN ALAPJAI legújabb, javított, bővített kiadás (2008), ingyenes DVD melléklettel Tartalomjegyzék: 1. Folyadékok sajátosságai, fizikai mennyiségek és leírásuk 2. Kinematika és a folytonosság tétele 3. Az Euler-egyenlet és a Bernoulli-egyenlet 4. Alkalmazások 5. Örvénytételek 6. Áramlástani mérések 7. Az impulzustétel és alkalmazásai 8. A súrlódásos közegek áramlása 9. Határrétegek 10. Hidraulika 11. Az áramlásba helyezett testekre ható erő 12. Összenyomható közegek áramlása ELŐADÁS: csütörtök 14-16h (CHA20) HONLAPON: www.ara.bme.hu / oktatas / tantargy / NEPTUN / BMEGEATAKM1
2012. február
2012. május
Köszönöm a figyelmet!
